DE69812052T2

DE69812052T2 - Turbinenmantelring

Info

Publication number: DE69812052T2
Application number: DE69812052T
Authority: DE
Inventors: Alec George Dodd
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2018-12-12
Also published as: EP0924387A2; EP0924387B1; EP0924387A3; GB9726710D0; DE69812052D1; US6048170A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Turbinenmantelring und insbesondere auf einen Turbinenmantelring mit veränderbarem Durchmesser.
Axialströmungsturbinen weisen üblicherweise axial abwechselnde ringförmige Anordnungen von radial vorstehenden Stator-Leitschaufeln und Rotor-Laufschaufeln auf. Die radial äußeren Enden der Rotor-Laufschaufeln werden von einem Mantelring umschlossen, so daß ein kleiner radialer Spalt dazwischen verbleibt. Dieser radiale Spalt wird so klein als möglich gehalten, um einen Leckstrom durch diesen Spalt gering zu halten.
Unter stetigen Betriebsbedingungen bleibt der Spalt im wesentlichen konstant. Unter Übergangsbedingungen kann sich seine Größe infolge thermischen Wachstums und/oder einer Zusammenziehung der verschiedenen mechanischen Bauteile ändern.
Es ist bekannt, zu diesem Zweck die Spaltbreite durch ein aktives Steuersystem für den Mantelring zu kompensieren. Im wesentlichen wird der Mantelring gemäß den Arbeitsbedingungen geschrumpft oder expandiert, um den Spalt mit der gewünschten Größe aufrechtzuerhalten. Die GB 2042646-B und die US-A-4398866 beschreiben Mechanismen, die dies bewirken.
Eine Hauptschwierigkeit, die jenen Systemen zugeordnet ist, welche eine Veränderung des Durchmessers des Mantelrings bewirken, besteht darin, einen Leckstrom durch den Ring selbst zu verhindern. Um eine Veränderung des Mantelrings zu ermöglichen, sind gewöhnlich Verbindungen im Ring vorgesehen. Diese Verbindungen können jedoch Anlaß für den Leckstrom sein. Tatsächlich können die Verbindungen noch weiter problematisch sein, wenn der Mantelring infolge hoher Umgebungstemperaturen wenigstens teilweise aus Keramikmaterialien hergestellt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Turbinenmantelring variablen Durchmessers zu schaffen, der einen verbesserten Widerstand gegenüber einem Leckstrom durch den Ring hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Turbinenmantelring variablen Durchmessers die folgenden Bauteile auf: eine ringförmige Anordnung von Elementen, die in der Lage sind, sich in Umfangsrichtung relativ zueinander zu bewegen und zusammenwirken, um eine radial innere, den Laufschaufelspitzen gegenüberliegende Oberfläche auf dem Ring zu bilden; mehrere von sich in Umfangsrichtung erstreckenden elastischen Blechteilen, die sich sowohl übereinander als auch über den radial äußeren Erstreckungen der ringförmigen Anordnung von Elementen erstrecken, wobei jedes Blechteil eine kleinere umfangsmäßige Erstreckung besitzt als der Mantelring und wobei Trägermittel vorgesehen sind, um diese Elemente und die Blechteile abzustützen und wobei ein Antrieb vorgesehen ist, um den Durchmesser des Schaufelrings zu verändern.
Vorzugsweise bestehen die Trägermittel aus einem ringförmigen Tragkörper, der zwei Spaltringe trägt, von denen jeder so gestaltet ist, daß er eine axiale Erstreckung der ringförmigen Anordnung von Elementen und elastischen Blechteilen abstützt.
Die Betätigungsmittel zur Veränderung des Durchmessers des Mantelrings können thermisch betätigt werden.
Die Elemente können aus Keramikmaterial bestehen.
Die elastischen Blechteile sind metallische Teile.
Die Elemente können mit einem abriebfähigen Material an ihren radial inneren Oberflächen versehen sein.
Jedes der Elemente kann so gestaltet sein, daß ein Teil hiervon in teilweise überlappender und gleitender Beziehung mit den benachbart hierzu liegenden Elementen ist.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ist ein Axialschnitt eines Gasturbinentriebwerks mit einem Turbinenmantelring gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist eine Schnittansicht des Mantelrings gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie A-A gemäß Fig. 2;
Fig. 4 ist in größerem Maßstab eine Ansicht eines Teils der Darstellung gemäß Fig. 3;
Fig. 5 ist eine Ansicht, die einen Teil des Mantelrings gemäß einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erkennen läßt.
Gemäß Fig. 1 ist das Fan-Gasturbinen-Mantelstromtriebwerk 10 in herkömmlicher Weise ausgebildet. Es umfaßt in axialer Strömungsrichtung einen Antriebsfan 11, einen Zwischendruckkompressor 12 und einen Hochdruckkompressor 13, eine Verbrennungseinrichtung 14 und eine Hochdruckturbine 15, eine Zwischendruckturbine 16 und eine Niederdruckturbine 17. Die Hochdruckturbine 15, die Zwischendruckturbine 16 und die Niederdruckturbine 17 sind jeweils antriebsmäßig mit dem Hochdruckkompressor 13, dem Zwischendruckkompressor 12 und dem Antriebsfan 11 über konzentrische Wellen verbunden, die sich entlang der Längsachse 18 des Triebwerks 10 erstrecken.
Das Triebwerk 10 arbeitet in üblicher Weise, wobei die vom Fan 11 verdichtete Luft in zwei Strömungen unterteilt wird: der erste Teil, d. h. der Hauptteil, strömt im Nebenschluß am Triebwerk vorbei, um einen Antriebsschub zu erzeugen, und der zweite Teil tritt in den Zwischendruckkompressor 12 ein. Der Zwischendruckkompressor 12 komprimiert die Luft weiter, bevor diese in den Hochdruckkompressor 13 einströmt, wo eine weitere Kompression stattfindet. Dann wird die komprimierte Luft in die Verbrennungseinrichtung 14 geleitet, wo sie mit Brennstoff vermischt und die Mischung verbrannt wird. Die resultierenden Verbrennungsprodukte dehnen sich dann in der Hochdruckturbine 15, der Zwischendruckturbine 16 und der Niederdruckturbine 17 aus und treiben diese an. Schließlich werden diese Produkte am stromabwärtigen Ende des Triebwerks 10 ausgeblasen, um einen zusätzlichen Antriebsschub zu erzeugen.
Die Hochdruckturbine 15 weist eine ringförmige Anordnung von radial verlaufenden Rotor-Laufschaufeln 19 auf. Der radial äußere Teil einer dieser Laufschaufeln 19 ist aus Fig. 2 ersichtlich. Heiße Turbinengase strömen über die Laufschaufeln 19 in der allgemein durch den Pfeil 20 angegebenen Richtung. Ein Mantelring 21 gemäß der vorliegenden Erfindung liegt radial außerhalb der Laufschaufeln 19. Er dient dazu, die radial äußere Erstreckung einer kurzen Länge des Gaskanals 36 über die Hochdruckturbine 15 zu definieren.
Im Interesse eines guten Gesamtturbinen-Wirkungsgrades wird der Radialspalt 22 zwischen den äußeren Spitzen der Laufschaufeln 19 und dem Mantelring 21 so klein als möglich gehalten. Dies kann jedoch Schwierigkeiten während des Normalbetriebs ergeben. Da sich die Geschwindigkeit des Triebwerks 10 erhöht und vermindert, ändert sich die Temperatur innerhalb der Hochdruckturbine 15. Da die verschiedenen Teile der Hochdruckturbine 15 eine unterschiedliche Masse haben und sich mit der Temperatur ändern, haben sie das Bestreben, sich unterschiedlich auszudehnen und zusammenzuziehen. Dies führt wiederum zu einer Veränderung des Spitzenspaltes 22. Im Extremfall kann dies entweder zu einer Berührung zwischen dem Mantelring 21 und den Laufschaufeln 19 führen, oder der Spalt 22 wird so groß, daß der Turbinenwirkungsgrad schwerwiegend beeinträchtigt wird.
Dies ist eine bekannte Wirkung, und es gibt zahlreiche bekannte Möglichkeiten, die sich hiermit befassen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine Steuerung über den Mantelring 21 derart auszuüben, daß sich sein Durchmesser in der Weise ändert, daß der Spalt 22 im wesentlichen konstant verbleibt. Ein zweckmäßiger Weg, um dies zu erreichen, besteht darin, den Mantelring 21 mit einer Druckluftströmung zu kühlen, die vom Zwischendruckkompressor 12 abgezapft wird. Die Kühlluftströmung wird in der Weise moduliert, daß der Mantelring 21 sich thermisch auf geeignete Weise ausdehnt und zusammenzieht. Gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Kühlluft aus einer Ringleitung 23 abgezapft, die radial außerhalb des Mantelrings 21 liegt. Die Kühlluftleitung 23 ist mit einer Vielzahl von Löchern 24 versehen, durch die Kühlluft auf den radial äußeren Umfang des Mantelrings 21 gerichtet wird. Die Art und Weise, auf die die Luftströmung durch die Leitung 23 moduliert wird, ist nicht kritisch und kann durch eine an sich bekannte Technik bewerkstelligt werden.
Die über die radial innere Oberfläche des Mantelrings 21 strömenden Turbinengase stehen auf einer extrem hohen Temperatur. Infolgedessen muß wenigstens jener Teil des Mantelrings 21 aus einem Material bestehen, welcher in der Lage ist, derart hohen Temperaturen zu widerstehen, wobei auch die strukturelle Integrität aufrechterhalten bleibt. Keramikmaterialien, beispielsweise jene, die auf Siliziumkarbid-Fasern basieren, die in einer Siliziumkarbid-Matrix eingeschlossen sind, haben sich als besonders gut für eine derartige Anwendung erwiesen. Infolgedessen besteht der radial innere Teil des Mantelrings 21 wenigstens teilweise aus einem derartigen Keramikmaterial.
Im einzelnen besteht, wie aus Fig. 2 ersichtlich, der Mantelring 21 aus einem im Querschnitt umgekehrt U-förmig gestalteten ringförmigen metallischen Trägeraufbau 25, der eine ringförmige Anordnung von in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegenden Keramiksegmenten 26 aufweist. Diese Segmente werden vom Trägeraufbau 25 an ihren stromaufwärtigen und stromabwärtigen Enden über metallische Spaltringe 27 bzw. 28 abgestützt. Jeder dieser Ringe 27 und 28 ist mit einem axial verlaufenden Flansch 29 bzw. 30 versehen. Die Flansche 29 und 30 werden von entsprechend gestalteten Ringschlitzen 31 bzw. 32 aufgenommen, die in gegenüberliegenden Oberflächen der freien Enden des Trägeraufbaus 25 angeordnet sind. Es ist ersichtlich, daß sich der Trägeraufbau 25 radial nach innen bzw. außen bewegt, wenn eine thermische Ausdehnung und Kontraktion stattfindet. Die Keramiksegmente 26 bewegen sich in entsprechender Weise.
Da die keramischen Mantelringsegmente 26 in Umfangsrichtung voneinander distanziert sind, und weil sie sich relativ zueinander in Umfangsrichtung bewegen können, werden sie durch die Radialbewegung des Tragkörpers 25 nicht unter Spannung gesetzt. Jedoch bilden die Spalte zwischen benachbarten Segmenten 26 einen potentiellen Leckstrompfad in den Turbinengaskanal 36 hinein und aus diesem heraus.
Um einen derartigen Leckverlust zu verhindern oder zu vermindern, sind über die äußeren Oberflächen der Keramikelemente 26 mehrere Metallblechstreifen 32 gelegt. Jeder Metallblechstreifen 32 erstreckt sich axial zwischen den Spaltringen 27 und 28 und wird von diesen gehaltert. Jeder Streifen 32 erstreckt sich auch in Umfangsrichtung um die Keramiksegmente 26, obgleich sich keiner der Streifen 32 individuell über den vollen Umfang des Mantelrings 21 erstreckt. Im typischen Fall erstreckt sich jeder Streifen 32 über etwa ein Viertel bis auf die Hälfte des vollen Umfangs des Mantelringes 21. Außerdem sind die Streifen 32 an ihren Verbindungen übereinandergefügt, wie dies deutlicher aus Fig. 4 erkennbar ist. Es ist eine genügende Zahl von Streifen vorgesehen, um zu gewährleisten, daß über jedem Keramikelement 26 wenigstens zwei Metallblechstreifen 32 liegen.
Es sind Ausnehmungen 33 in dem Tragkörper 25 vorgesehen, um zu gewährleisten, daß der Gasdruck radial innerhalb der Segmente 26 der gleiche ist wie in dem Bereich, wo die Ringleitung 23 liegt. Da während des Laufs des Triebwerks dieser Druck größer ist als jener der Turbinengase radial innerhalb der Segmente, wird eine radial nach innen wirkende Kraft auf die Metallblechstreifen 32 ausgeübt. Dies reicht aus, um zu gewährleisten, daß die Blechstreifen 32 sowohl an den Segmenten 26 als auch aneinander dichtend anliegen, so daß ein Gasleckstrom zwischen den Spalten verhindert oder vermindert wird.
Die Metallblechstreifen 32 sind genügend dünn und elastisch, um zu gewährleisten, daß bei radialer Ausdehnung und Zusammenziehung des Mantelrings 21 eine elastische Deformation der Streifen und eine relative Gleitbewegung auf den Segmenten 26 und aufeinander stattfinden kann, so daß eine Anpassung an den neuen Durchmesser des Mantelrings 21 erfolgt. Während dieser Bewegung wird die Dichtungsfunktion aufrechterhalten.
Um die Lebensdauer der Mantelringsegmente 26 zu erhöhen, können ihre radial inneren Oberflächen mit einem herkömmlichen abriebfähigen Material 34 überzogen sein.
Es ist nicht wichtig, daß die Segmente 26 in Umfangsrichtung im Abstand zueinander liegen. Es ist nur erforderlich, daß sie so ausgebildet sind, daß eine relative Umfangsbewegung zwischen ihnen stattfinden kann, damit der Tragkörper 25 sich ausdehnen und zusammenziehen kann. So können die Segmente 26 beispielsweise derart gestaltet werden, wie dies in Fig. 5 dargestellt ist, wobei jedes Segment 26 eine Stufe 35 an jedem Umfangsende aufweist, das gleitbar auf einer entsprechenden Stufe benachbarter Segmente 26 liegt. Eine derartige Anordnung könnte zweckmäßig sein, um zu gewährleisten, daß der Gasleckstrom zwischen den Segmenten verhindert oder auf einen annehmbaren niedrigen Wert vermindert wird.

Claims

1. Turbinenmantelring (21) variablen Durchmessers mit Betätigungsmitteln (23) zur Veränderung des Durchmessers des Mantelrings (21), dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelring (21) einen ringförmigen Aufbau von Elementen (26) aufweist, die in Umfangsrichtung relativ zueinander beweglich sind und die zusammenwirken, um eine innere, den Laufschaufelspitzen gegenüberliegende Oberfläche des Mantelrings zu bilden, daß mehrere in Umfangsrichtung verlaufende elastische Blechteile (32) übereinander und über den äußeren Umfang der ringförmigen Anordnung der Elemente verlaufen, wobei jedes Blechteil (32) eine kleinere Umfangserstreckung aufweist als der Mantelring (21) und daß Trägermittel (25) vorgesehen sind, um die Elemente (26) und die Blechteile (32) abzustützen.

2. Mantelring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermittel (25) aus einem Ringtragkörper bestehen, der zwei Spaltringe (27, 28) trägt und daß jeder der Spaltringe (27, 28) einen axial verlaufenden Abschnitt der ringförmigen Anordnung der Elemente (26) und der elastischen Blechteile (32) abstützt.

3. Mantelring nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsmittel (23) zur Veränderung des Durchmessers des Mantelrings (21) thermisch eingestellt werden.

4. Mantelring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (26) Keramikelemente sind.

5. Mantelring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Blechteile (32) Metallbleche sind.

6. Mantelring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (26) mit einem abriebfähigen Material (34) an ihren inneren Oberflächen überzogen sind.

7. Mantelring nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element (26) derart ausgebildet ist, daß ein Teil hiervon in überlappender Gleitverbindung mit benachbarten Elementen (26) steht.